汽车轴承技术及其发展动向

1、 1000 - 3762 41 - 1148 /轴承2009年Bearing 2009 , 758 - 63汽车轴承技术及其发展动向李尚勇1,2 ,宋丽3 ,邓四二1( 河南科技大学 ,河南 洛阳471003; 洛阳轴研科技股份 ,河南 洛阳471039;上海市轴承技术研究所,上海200031)摘要 :针对汽车关键部位及其所用轴承的发展现状 ,介绍了为适应汽车主机的发展,配套轴承所进行的结构优 化改进,以及新技术,概述了汽车轴承高速重载,小型化,轻量化,单元化,高可靠性及长 寿命等方向发展的趋势。关键词:汽车轴承;技术水平;现状;发展方向中图分类号 : 33; U463文献标志码 :B文章编号

2、 : 1000 - 3762 ( 2009) 07 - 0058 - 061 汽车关键零部件的发展动向1 发动机发动机是汽车提高效率 件。现代发动机的发展趋势是:油电混合动力系统驱动、 高可靠性 术发展方向是:汽油机改柴油机凸轮轴顶置 (DOHC) (VTEC) 机V形排列及电动车力车。2 传动系。 离合器是汽车中动力传递的第一个部件,具 有中断动力传递,要求其接触柔 和。离合器根据传动介质 的不同可以分为摩擦式离合器 磁离合器。汽车上常用的是摩擦式离合器,液力 式和电磁式虽然无离合器踏板,但液力 式传动效率低,且加速,电磁式结构 复杂,故这两种在逐渐改进。汽车的发 展又对离合器提出了小型化可

3、靠性的要求。变速器在汽车中起到改变转速和扭矩及实现倒驶的作用,对变速器的一般要求是换挡平顺 靠,现又有小型化 动变速器大多都是采用液力变矩器,又称为无离 合器变速器,因其具有操作方便收稿日期 : 2008 - 11 - 13;修回日期 : 2008 - 12 - 28冲击小等优点,其应用也日益广泛。 传动轴是将动力传递到车轴的传动件,其两端的万向节是研究的重点,要求具有高的等速性、 可靠性及高的机械效率。3 行驶系, 担负着汽车行驶及安全的重任,对此有高效、 。4 转向系转向系是汽车中确保行驶方向和轨迹的部分, (转弯半径小) 等。5 制动系制动系安全可靠和低噪声是其发展趋势 动器从结构上可以

4、分为鼓式制动器和盘式制动器 两种,传统车辆上使用的是鼓式制动器。盘式制 动器制动效能稳定 小,使用日益广泛,但价格较高。 ,也有前 后均使用盘式制动器的。防抱死制动系统 (Anti - B rake , ABS)是发展的主流。由于现代汽车的速度越来越 高,车轮抱死所带来的严重后果引起了人们的普遍关注。如果前轮或四轮抱死,则会转向失灵,沿原方向行驶,如果只是后轮抱死,则可能出现摆尾。ABS系统包括车速传感器、 计算机控制单元。综上所述,汽车技术是朝着高速、 舒适低价格的方向发展。李尚勇等:汽车轴承技术及其发展动向592汽车轴承的现状和发展1 发动机轴承1 发动机曲轴轴承和凸轮轴轴承 由于其温度高

5、境特点及滚动轴承安装不方便等原因,以往以滑 动轴承占据绝对的主导地位,仅有一些小功率发 动机和摩托车发动机采用密封球轴承。目前的汽 车发动机轴承,多数在改进轴承性能的前提下,采 用密封球轴承,并开发了新型密封圈和润滑材料, 以及采用陶瓷套圈或陶瓷滚动体。2 张紧轮轴承 随着发动机转速和使用温度的提高(转速达18 r/m ,成为张紧轮轴承单元。该产品已从普通的 将摇动支点和安装螺母都放置在滑轮内圆孔内,将 小型油压式张紧器放置在滑轮内部,形成内置式自 ,对皮带张力变化有着卓越跟随功能,降低皮 、 铝制外壳和高性能密封球轴承,大大降低了张紧轮 ,并可采用树脂的可成型性做出合适的几何形 状本图1,图

6、2所示1 。图 1 张紧轮轴承的结构原理3 水泵轴联轴承 水泵轴承是在水滴飞溅的环境中工作期,大部分选用两套单列密封球轴承,不利于实现 水泵的小型化量化,为此开发了水泵轴联轴 承,其结构主要有:两列球式和一列球一列滚子)式。由于轴承的内圈与水泵轴一体化, 使水泵轴承小型化成为可能 -球式结构中球 , 以提高轴承的承载能力和具有较小的轴向游隙3)。伴随着发动机的高性能化,发动机的发热量 增加,对水泵的要求也更加严格。所采用的对策 是:提高可靠性,改良轴承密封,轻量化。为了增 加水泵轴承的密封性,使用了甩水环和多唇密封 4) 2 。图 4 水泵轴承的密封结构4 交流发电机轴承 由于发动机的高性能化

7、,对交流发电机要求607小型,要求轴承具有高温 性能,出于环保考虑,内置怠速停止机构, 兼作交流发电机与启动器的装置正在开发 此,轴承的使用条件也在发生变化。通常,交流发电机是用V形带驱动,交流发电 机轴承的装配结构大致分为承受传动皮带载荷的前侧轴承和电刷附近的后侧轴承 5)。轴承主 要承受径向力,轴承结构是具有高密封性能的长寿命密封深沟球轴承。要求轴承在转速超过 20 000 r /m 180 的极限条件下可靠运转、外圈和钢球材料多采用高纯洁度钢,密封圈和保持架采用耐高温高速的丙烯酸酯橡胶和尼龙 46,润滑脂应具有耐温在 - 40180,并应在高速条件下可靠润滑。此外,伴随着空调的小型化,对

8、轴承小型化的 要求随之提高,为此,开发了各种型号的轴承,表2 所示为电磁离合器轴承的原始结构及变型结构。这些轴承是从 35BD5222 (双列角接触球轴承)发 展而来,根据不同主机对轴承的不同承载要求,对轴承的结构进行了优化,通过减小轴向尺寸形成了35BD5212和 BY35 (四点接触球轴承)两种结构;通过减小轴承的径向尺寸形成了35BD4822和35BD4522两种结构。在轿车,特别是经济型轿车领域 ,这四种变型结构正逐步取代35BD5222。图 5 汽车交流发电机轴承安装示意图公司已经研制出了耐高温 。 5 空调压缩机电磁离合器轴承(1)使用环境。汽车空调是通过发动机辅机 皮带带动皮带轮

9、旋转,进而驱动压缩机工作的。 在皮带轮内部使用能够中断和传递动力的电磁式离合器,发动机是连续工作的,仅在使用空调时才带动压缩机工作。电磁离合器装用双列角接触球轴承,外圈旋转。(2)主要特点。空调皮带轮最高转速7 00013 000 r /m in,最大径向载荷 1 500 N,最大偏心量25 mm,轴承最高温度 160 ,要求可靠性 更高的润滑脂,NSK除采用高可靠性的润滑脂之 外,还采用提高润滑性能的轴向圆柱兜孔保持架 6)。该保持架将普通的单一球面塑料保持架兜孔的一部分变成圆柱面形状,即使在旋转时也 能经常向滚动体供给润滑剂,NSK采用外 圈旋转用的高性能接触密封圈 ,表1为代表性的密 封

10、圈形式与性能3 。6 辅助装置用皮带轮单元 内置超越离合器的皮带轮单元结构紧凑,重量轻,可以在发动机主轴转速降低时,瞬间使被驱 动的辅助装置与传动系统脱开,从而有效解决曲 轴扭转振动引起的皮带振动噪声大,磨损严重和 皮带寿命降低的问题。如图 7所示,在皮带轮内安装一套斜撑式滚子 离合器,皮带轮内套与辅助装置主轴通过平键或 花键进行联结,向辅助装置输出扭矩。当皮带轮 转速大于皮带轮内套与主轴转速时,斜撑式滚子 离合器处于楔紧状态,此时皮带通过皮带轮 器,驱动辅助装 置转动;当皮带轮转速低于内套与主轴转速时,斜李尚勇等:汽车轴承技术及其发展动向61撑式滚子离合器处于超越状态,皮带轮将以低于 内套与

11、主轴的转速转动,但互不影响,避免了扭矩从辅助装置主轴向皮带的反向传递。表 2 空调压缩机电磁离合器轴承11皮带轮;2离器外圈;3滚子; 4持架; 5皮带轮内套;6滚动承; 7,8挡圈图7 皮带轮单元的结构示意图单元可以泛应用于汽车发动机的被驱动 辅助置,其适用于柴油机带有歇缸功能的发 动机低怠转速发动机带有很高换挡冲击的变 速箱发动机等。. 2 离合轴承. . 1 离器分离轴承 合器分离承根据分离系统的推式和拉式的不同,结上有一些别图8和图9)对传统 的离器分离操系统与分离轴承的动力学分析 表明:在离器分离时,分离拨叉或分离控制杠杆 的冠接触区域沿着与轴承的接触面滑动,力的 作用面偏离轴承中心

12、线图 10a和图 10c,其中 图 c, d分别为图 a, b的局部放大图) ,产生倾斜力 矩,使轴承发生倾斜,增大磨损,造成旋转不稳定 和操力矩增加等不良后果如果将冠状接触面改放在分离套筒上,则接触点随套筒一同移动,使 结合力比较直接地传送到轴承的几何中心 10b, 10d) ,基本上消除所有的倾斜力矩。离合器分离轴承系在高转速 ,且存在着发动机输出轴与 ,因此其寿命不仅与额定载荷和极限转速有关,而且密封性。常用的推力球轴承 心球轴承和角接触球轴承一般不具有调心性,不能 满足使用要求,目前的发展主流是自动调心轴承。 自动调心轴承可以消除由于旋转轴偏心而引起的 ,也能提高分离轴承的 62711

13、)。同时分离轴承与套筒的一体化也有 。使用树脂套筒可以减轻 12为部分自动调心 , 命,在离合器分离拨叉与套筒之间安装一滚针轴 承,实现滑动摩擦滚动化13)。图 13 离合器分离拨叉滚针轴承3 双向离合器单元 双向离合器单元是自动变速器中的重要组件,可以根据输入件的传动方向自动调节离合器 方向。由于在内圈保持架和外圈保持架中带有左右对称形状的异形滚柱,离合器单元可以根据输 入扭矩的方向很好地发挥其功能14)。2 离合器分离拨叉轴承 目前离合器分离拨叉与分离套筒之间普遍采用滑动接触。为了减少滑动部分的摩擦和磨损,提高离合器踏板的操作灵活性和套筒的使用寿图 14 CVT用双向离合器单元双向离合器单

14、元的特点:(1)只用一种形式的异形滚柱便可以实现正 向制动和反向制动。(2)根据输入扭矩的方向,离合器的正向制动 和反向制动是机械式自动控制的。3 变速箱轴承变速箱是汽车中应用轴承最多的部位,有滚 针轴承。 这些轴承的工作转速较高,且润滑油中常含有杂质) ,使这些轴承的使用寿命大大缩短。李尚勇等:汽车轴承技术及其发展动向631 滚针轴承 滚针轴承应用在二轴与空套在其上的双联齿轮之间,其特点是:转动时不受力,受力时不转动。 当接合套与双联齿轮不接合时,齿轮与二轴之间有相对转动,中间轴上的动力不通过该挡向二轴传递,滚针轴承不受力或受很小的力。当接合套与双联齿轮接合时,齿轮与二轴有相同的转速,二者之

15、间无相对运动,滚针轴承随着它们一起旋转,中间轴上的动力通过接合套共同作用,将动力传递到二轴,此时,滚针受到交变应力作用,由于双联齿轮并无相对运动,故三者均会在同一部位受到交变应力作用,久而久之会形成压痕,造成微震磨损。 为此,开发了一种滚针间距不等的滚针轴承,实用效果非常好,有效延长了轴及轴承的使用寿命。2 密封球轴承 现代汽车的功率在不断的增大,转速也在不断提高,而各种结构又力图小型化,这就 使变速箱原有的深沟球轴承的寿命远远不能满足需求,主要是由于润滑油中的碎屑等异物的入侵, 在沟道表面产生压痕造成的。为了提高轴承的寿命,多采用密封球轴承。NSK公司开发的密封净 化球轴承 15)使用寿命是相同条件下标准轴 承的6倍以上,且其外部尺寸改变不大,因此具有 较好的发展前景。,轴向固定简单 定位元件) ,使用树脂保持架,重量轻,成本低 4 圆锥滚子轴承 作为能承受高载荷和大的齿轮轴向分力的轴承,一般多采用圆锥滚子轴承。在结构上,圆锥滚 子轴承滚子端面和内圈大挡边在承受接触载荷的同时,相互间伴有滑动 18) ,所以比球轴承摩 擦力矩大,在传递效率或换挡操作性能方 面有缺点,开发了低摩擦力矩圆锥滚子轴 承,在中低速范围内旋转摩擦力矩约为原来